平成 24 年度 匠プロジェクト研究課題
T24-3 真空チェンバー一体型多極電磁石の開発
最終報告書
加速器部門 岡安雄一 ∗Abstract
真空チェンバー一体型電磁石の設計・製作を行った。このアイデア自体は CERN の CLIC やロスアラモスの中
性子捕捉実験などでも先行事例が見られる。本研究では、磁極の先端部分を分離独立させ、メタルシールを介して真空チェンバーに直接締結する手法を採用する。超高真空下での使用を想定した真空特性、機器の分解・組立・ベーキングを繰り返し、磁場勾配・磁場中心と機械中心の座標評価を行い、実用性と課題を明らかにする。

1

目的

X 線領域における回折限界を目指すなど、蓄積リン
グの低エミッタンス化を図る場合、ボア径の縮小化は避けられない。このため従来多くの加速器施設で実績のあるアンテ型真空チェンバーでは、十分な強度が得られない場合も想定される。この場合、偏向電磁石の出口に受光体を設け、早々に放射光を遮断、若しくはその立体角を制限することにより、アンテ型に比べてよりシンプルな短管構造の採用も検討しておく必要がある。上記の背景を踏まえ、本研究課題の目的は、狭ボア径多極電磁石の磁極を真空チェンバーに組み込んだ、真空チェンバー
一体型多極電磁石の原理実証を行うことである。

2

設計・製作

製作した真空チェンバー一体型電磁石の構造図と性能をそれぞれ Fig. 1 及び Table 1 に示す。

Table 1: 真空チェンバー一体型電磁石の性能諸元
* 電磁石
ボア径

ϕ26 mm

磁極長100 mm

磁場勾配

65 T/m

コイル巻き数28

コイル寸法□ 6 × □ 3 (ホロコン)

電流
材質 (磁極・ヨーク)

Figure 1: 真空チェンバー一体型電磁石構造図 (1) 及び、
真空チェンバー (2) と磁極先端部 (3)。

200 A

製 U タイトシール) を介して超高真空を保持する構造である。また各磁極先端部は 12 本の SUS304 製 M8-12Lのキャップスクリューでクランプを介してチェンバーに締結される。SUS 製 M8 キャップスクリューの規定ト
ルク (15 N·m) 及び、大気圧 (101325 Pa) をチェンバー
表面に負荷した条件での真空チェンバー (1/4 モデル) の変位量、ミーゼス応力分布の有限要素法による計算結果を Fig. 2 に示す。計算によるミーゼス応力は概ね 0.5
MPa で、250 ◦ C における SUS316L の許容応力 65 - 105
MPa (JIS) を大きく下回る。また変位量は大きい箇所でM8-12L のキャップスクリューの 9 µm であり、引張力が顕著に現れている。いずれにせよ、設計した真空チェンバーの構造は強度に問題がないことが、計算により裏付けられた。

JIS C 2504 SUY-0

冷却水流量

2.4 L/min

圧力損失∼0.1 MPa* 真空チェンバー
フランジ

ICF114 (SUS316L)

フランジ面間距離

280 mm

材質

SUS316L

総重量

85 kg (架台除く)

電磁石は四重極型であり、コイルは水冷である。各磁極の先端部は Fig. 1(3) に示すように先端部が分離し、Fig. 1(2) に示す真空チェンバーに外被 : アルミニウム、スプリング : インコネルのメタルシール (臼井国際産業∗ okayasu@spring8.or.jp

1

Figure 3: 三次元座標測定器の構成。
Table 2: 三次元座標測定器の諸性能
測定範囲
最大積載重量測長精度

550 mmW × 500 mmD × 450 mmH
600 kg1 軸 : ±(0.5 + L/900) µm
空間 : ±(0.8 + L/600) µm

Figure 2: 規定締結トルク及び大気圧を負荷した場合の真空チェンバー (1/4 モデル) の変位量 (上) 及び、ミー
ゼス応力 (下) 分布の計算結果。

プロービング精度

0.8 µm

ロータリーテーブル

位置決め精度 : 0.5◦ 、角度誤差 : 2”

平行面 : Fig. 4 のナ、ニ、ヌ、ネ、ハ、ヒ、フ、ヘ) が設けられている。これらの面を測定し、x = z = 0
面を定義。

真空チェンバー一体型電磁石の組立・分解に伴う磁極の座標再現性を、宮城県産業技術総合センターの三次元座標測定器 (Fig. 3、CARL ZEISS 製 UPMC550 CARA)で評価した。
プローブの先端に取り付けられたルビー (高硬度、抗切削性ゆえ) 球で、計測対象物を 0.2 N (標準) で接触する
ことにより、測定対象物の三次元座標を評価するものである。制御は UNIX であり、マニュアル・自動測定が可能である。三次元座標測定器の諸性能を Table 2 にまとめる。真空チェンバー一体型電磁石の三次元座標計測
は、コイルを外した状態で機械中心及び電磁石ヨークの天面に設けたレーザートラッカー用の 3 つの標的球について、下記の手続きで行った。参考までに計測点と定義した座標系の関係を Fig. 4 に、分解した真空チェン
バーと電磁石と組み立て手順を Fig. 5 に示す。

4) 磁極端 : 入口 4 点 (Fig. 4 のア、イ、ウ、エ) / 出口
4 点 (Fig. 4 のカ、キ、ク、ケ) の座標から、y = 0
面を定義。
5) 機械中心を定義し、原点リセット。
6) レーザートラッカー用の 3 つの標的球 (Fig. 4 の球1、球 2、球 3) 座標を測定。
7) 真空チェンバー一体型電磁石を分解。
以上 1) - 7) の手続きを 2 回繰り返し、機械中心及び標的球の座標を測定、残差比較を行った結果を Table 3 に示す。Table 3 より、真空チェンバー一体型電磁石を 2 回
組立・分解を繰り返した後での機械中心及び、レーザー
トラッカー用標的球の座標は 40 µm 以内に収束したが、再現性を言及するためには多くの統計を要する。

1) 分解された状態の真空チェンバー一体型電磁石を組立。
2) キャリブレーション級を用いて、測定空間の座標原点を定義。
3) 磁極双曲線両端には x/z 面と平行に機械加工面 (x平行面 : Fig. 4 のサ、シ、ス、セ、タ、チ、ツ、テ、 z
2Figure 4: 三次元座標計測における計測点と座標系の相関。

Figure 5: 分解した真空チェンバー一体型電磁石 (左) と組立手順及び、位置決めピンの位置 (右)。

3Table 3: 三次元座標測定器の諸性能
単位 [mm]測定 1 回目

測定 2 回目

残差

3

機械中心

球1

球2

球3

x = 0.0805

x = 49.7784

x = 49.6922

x = -50.2797

y = -0.0844

y = -29.9709

y = 30.0142

y -0.0192

z = -0.1294

z = 165.2262

z = 165.2081

z = 165.0584

x = 0.0543

x = 49.8148

x = 49.7268

x = -50.2313

y = 0.0872

y = -29.9464

y = 30.0349

y = -0.0024
z = 165.0814

z = -0.1259

z = 165.2309

z = 165.2073∆x = -0.0262∆x = 0.0364∆x = 0.0346∆x = 0.0394∆y = -0.0028∆y = 0.0245∆y = 0.0207∆y = 0.0168∆z = 0.0035∆z = 0.0047∆z = -0.0008∆z = 0.0230

ベーキング、脱ガス量・組成評価

これまでの組立・計測では、真空シールはメタルシー
ルではなく、バイトン O リングを用いて行った。メタ
ルシールが高価で数に限りがあったためである。工場出
荷時の真空リーク試験において、メタルシールを導入し締結を行ったところ、規定の締結トルクではメタルシー
ルが全く圧縮されないことが判明した。原因は締結力が不足していたためであった。メーカーによれば、当該メタルシールの最大能力が得られる圧縮量は 0.8 mm であり、この場合の必要締結力は 157000 N 程度とされる。
M8 ボルトの規定トルク (T ) は 15 N·m であるが、この時ボルトの軸力 Ft は以下の式で与えられる。

Ft = d2 (
2

1000T
µ
cos α + tan β)+ µn d2n(1)

ここで d2 = 7.19 mm、dn = 11.96 mm はそれぞれ順に
ボルトの有効径、座部有効径である。また µ = µn = 0.15
は、それぞれ順にねじ部、座部摩擦係数である。α = 30◦ 、tan β = 0.06 は、それぞれ順にねじ山の半角及びリード角である。(1) 式より 15 N·m での軸力は 8730 N 程度となり、157000/8730 ≃ 18 より、M8 キャップスク
リューは最低でも 18 本必要である。しかしながら実機
では空間的スペースの制限から、キャップスクリューの数は 12 本であり、必要締結力の 6 割強に留まっていることが判明した。規定を超えるトルクで増し締めを行い
22.5 N·m で締結することで、規定のメタルシールの圧縮量が得られることを確認した。22.5 N·m で締結した場合での、真空チェンバーにかかるミーゼス応力及び、変位量についての有限要素法による計算結果を Fig. 6に示す。ミーゼス応力が最も高い箇所は、キャップスク
リューの力で磁極先端部を抑え込む SUS316L 製のクラ
ンプで 30 MPa 程度であるが、SUS316L の許容応力内である。変位量の最大は M8-12L の SUS316L 製キャップスクリューで 5 µm 程度である。
メタルシールを介して真空チェンバーに磁極先端部を締結後、Fig. 7 に示す排気系を構築し、He リーク試
験、ベーキング、脱ガス組成分析を行った。オリフィスを境に上下流の圧力はそれぞれコールドカソードゲー
ジ (CCG) で監視した。ターボ分子ポンプの排気速度は250 L/s である。脱ガス量の測定はオリフィス法を採用し、7 時間かけて 140 ◦ C に昇温、12 時間 140 ◦ C で保持した後、24 時間かけて室温に戻した。ベーキング前

Figure 6: 22.5 N·m で磁極先端部を締結した場合の真空
チェンバーの変位量 (上) とミーゼス応力 (下) 分布。

後での He リーク量は、いずれも 1.3 × 10−11 Pa·m3 /s
以下であった。ベーキングに伴う脱ガス量分布及び圧力分布を Fig. 8 に示す。ベーキング終了後 (Fig. 8 上図の 40 時間後) におけるガス放出全量 (Q(t)) はチェン
バー (Qch (t)) 及び磁極先端部 (Qpol (t)) の寄与によりQ(t) = Qch (t) + Qpol (t) ≈ 1.7 × 10−7 Pa·m3 /s と見積もられる。

4

部計 4 台分のガス放出速度は

qpol

1.7 × 10−7 − 2.0 × 10−9 × 3.3 × 10−2
4 × 9.5 × 10−3
−6
≈ 4.5 × 10
Pa·m3 /s/m2=程度と見積もられる。ここで磁極先端部 1 台あたりの、真空と接している箇所の面積は 9.5 × 10−3 m2 である。
また四重極質量分析管 (Qmass) を用いてベーキング
後の脱ガス組成を計測・比較した結果を Fig. 9 に示す。
ベーキング前は H2 O すなわち水が支配的であったが、ベーキング後は H2 、H2 O、CO、CO2 が支配的である
ことが判る。水に加え、O2 が計測されていることから、
Qmass 分析時にリークが発生していたことが疑われる。
尚、本測定で使用した Qmass は汎用のものであり、質量数が同じ 28 である CO と N2 は弁別できない。

Figure 7: 真空チェンバーのベーキング・脱ガス評価系
セットアップ。

Figure 9: ベーキング後における真空チェンバーの脱ガス組成。
高真空 ∼ 超高真空において、系の温度が一定であれば時刻 t における圧力 P (t) [Pa] は、ガス放出量 Q(t) [Pa·L/s]と排気速度 S [L/s] を用いてP (t) =

Q(t)
S

(2)

で与えられる [1] 。図 8 (上) より、ベーキング開始から
30 時間後のガス放出量が Q(30hrs) = 1.7×10−7 Pa m3 /s
であることから、30 時間における到達圧は P (30hrs) =1.7 × 10−7 /0.25 > 6.8 × 10−7 Pa と見積もられる。ここ
で排気速度は使用したターボ分子ポンプの理想的な排気速度 : 0.25 m3 /s を仮定したが、実効排気速度はこれより低い値となり、図 8 (下) の測定結果と矛盾しないこ
とが判る。

4

磁場特性評価真空チェンバー一体型電磁石の磁場特性評価を、
SPring-8 蓄積リング棟 D 組立搬入室に付設する 3 軸
ホールプローブ (Lakeshore 製 MMZ-2508-UH)、ガウス
メータ (Lakeshore 製 460) 及び、三次元磁場測定ステー
ジ (神津精機製) を用いて行った。実際の測定セットアップ及び測定で得られた励磁特性を Fig. 10 に示す。3 軸
ホールプローブの測定値は真空チェンバー一体型四極電磁石の磁束密度成分 Bx 、By 、Bz であり、測定ステー
ジは x, y 方向に 100 µm 刻み、z 方向に 500 µm 刻みでFigure 8: ベーキングに伴う全ガス放出量分布 (上) とチェ
ンバーの圧力分布 (下)。

電解研磨を施した SUS316L 製ステンレス鋼のガス放出速度は qch = 2.0 × 10−9 Pa·m3 /s/m2 (但しベーキング
条件は 100 ◦ C × 24 時間)[1] であることから、真空に接するチェンバーの面積 ; 3.3 × 10−2 m2 より、磁極先端5自動制御で移動させて計測することが可能である。電磁石の機械中心から -20 < x [mm] < 20、-2 < y [mm] <2、-75 < z [mm] < 75 の範囲でメッシュ測定を行った。
測定に際し、3 軸ホールプローブの通り芯をアライメン
トし、プローブの通り芯に対して真空チェンバー一体型
電磁石をアライメントした。使用した機器はセオドライ
ト 1 台 (精度 : ±10 µm)、汎用レベル (精度 : ±100 µm)である。
Fig. 10 (下) より、磁束密度 By に対する励磁特性測定の結果から、設計電流 200 A では明らかに電磁石が飽和していることが判る。加えて透磁率無限大で x =10 mm における励磁特性の計算値 (赤) と測定データの傾きに、有限な開きが認められる。更にプローブのアラ
イメントは 1.1 mm ずれていたと仮定した場合の、透磁率無限大の励磁特性の計算値 (青) の傾きは、測定デー
タの傾きを良く再現することから、プローブのミスアラ
イメントの可能性が強く疑われる。

By [T]と MAFIA (2D) による計算値の比較を示す。いずれも励磁電流は 200 A である。-10 < x [mm] < 10 における測定値及び計算値のフィットから得られる磁束密度勾配
は、それぞれ順に 50.94 ± 0.18 T/m、65.49 ± 0.09 T/mである。これにより、実機は計算よりも飽和が強いことを示唆する結果となった。次に、真空チェンバー一体型
電磁石の分解・ベーキングを 3 回繰り返し、He リーク
試験・励磁特性評価を行った。いずれも励磁電流は飽和を避けて 100 A とした。1 回目及び 2 回目はメタルシー
ルを新品に交換したが、3 回目はメタルシールの予備品が無くなったため交換しなかった。また 3 回目のベーキングでは、降温時にリークが発生した。キャップスク
リューの増し締めを実施しても改善せず、メタルシー
ル、キャップスクリューの歪みが大きいと考えられる。

1
0.8

Calc. (µ = ∞)

200 A

0.6
0.4

Measured

0.2
0
-0.2
-0.4

Calc. (2D-MAFIA)

-0.6
-0.8
-1
-20

-15

-10

-5

0

5

10

15
20
x [mm]

By [T]

Figure 11: ボア径近傍における磁束密度 By の測定値
(青、2013 年 3 月測定) 及び MAFIA (2D) による計算値(赤) の比較。参考までに透磁率を無限大とした場合の漸近線 (黒) を重ねて表示した。
0.6
Cal.( µ = ∞, x = 10 mm)

3 回目の分解・ベーキング後に計測した磁束密度 By の分布比較を Fig. 12 に示す。また、分解・ベーキングを伴う磁場測定から得られた磁場中心と機械中心の差、磁束密度勾配の結果を Table 4 にまとめる。Table 4 の磁束密度勾配の値は、Fig. 12 のグラフについて -5 < x [mm]
< 5 の範囲でフィットして得られた値である。磁束密度
勾配 By′ とボア径 R の関係はCal.( µ = ∞, x = 8.9 mm)

0.5

0.4

Meas.

0.3

1 ′ 2
B R = µ0 N I
2 y

0.2

(3)

0.1
x = 10 [mm], y = z = 0 [mm]Figure 10: 三次元磁場測定セットアップ (上) とミッドプ
レーンにおける励磁特性 (下、2013 年 3 月計測)。

で与えられる。ここで µ0 は真空中の透磁率、N はコイ
ルの巻数、I は電流値である。従って By′ 及び R の分散
について
∆By′
∆R
= −2
(4)
By′
R

Fig. 11 にボア径近傍における磁束密度 By の測定値が成り立つ。電流値を 100 A で不変とした場合、1 st と2 nd の磁束密度勾配のずれは ∆R = 0.4 mm のボア径

0
0

20

40

60

80 100 120 140 160 180 200
Current [A]6

Table 4: 分解・ベーキング毎に磁場測定から得られた磁束密度勾配の結果。
日付

ベーキング ID

機械中心と磁場中心の差 [µm]磁束密度勾配 [T/m]

備考

2013/7/5

1 st

20

-39.4

メタルシール交換

2014/4/10

2 nd

430

-36.8

メタルシール交換

2014/4/18

3 rd (1)

190

-36.7

降温時リーク発生

2014/4/21

3 rd (2)

190

-36.7

ブレーカー一時切断後、復旧

5.2

4 章 Table 4 に、分解組立・ベーキングを繰り返した
場合の磁場特性の変化をまとめた。初回のベーキング後
では真空チェンバー一体型電磁石の機械中心と磁場中
心の差 ∆x は 20 µm であったが、2 回目、3 回目以降はそれぞれ 430、190 µm と大きな差異が発生した。3 章
Table 3 では、真空チェンバー一体型電磁石の分解・組
立を 2 回繰り返した場合の機械中心は 40 µm 以内に収まったが、この評価はバイトン O リングを用いた場合
で、高価な理由からメタルシールは導入していない。実際にベーキングを行った際はメタルシールを導入し、規定の 1.5 倍のトルクで締結を行った。1 回目のベーキン
グにおける締結時から、キャップルクリューは降伏点を通過して弾性域から塑性域へ移行したと考えられる。2回目からはキャップスクリューの軸力がトルクレンチで管理できなくなり、メタルシールが適切に圧縮されず、結果として真空チェンバーと磁極先端部が適切に面接触していないことが、機械中心と磁場中心の大きな差異の原因と考えられる。

Figure 12: 真空チェンバー一体型電磁石の分解・ベーキ
ングを繰り返し、磁束密度勾配分布を比較した結果。3
rd bake (2) は電磁石電源のブレーカーを切り、復旧した
後に測定した結果である。

5.3のずれに相当する。Fig. 5 (右) に示すように、ヨーク ヨーク間、磁極 - 磁極先端部間には位置決めピンが設けられ、またヨーク - ヨーク間、ヨーク - 磁極間はキャップスクリューで規定トルクにより締結されている。因みに位置決めピンの製作精度は、ヨーク - ヨーク間がピン精度 : ϕ8 +0/-0.015 mm、ピン穴精度 : ϕ8 +0.015/-0 mmであり、磁極 - 磁極先端部間は、ピン精度 : ϕ6 +0/-0.012
mm、ピン穴精度 : ϕ6 +0.012/-0 mm である。それ以外の構造物の製作公差は、全て中級公差 JIS B 0419 (200µm 以内) である。従ってヨーク同士、磁極 - 磁極先端部間の締結箇所でのずれでは 0.4 mm のずれは説明ができない。唯一、磁極先端部 - チェンバー間の締結は、規定トルクを大幅に上回っていることから、例えば対向する 2 つのメタルシール部において、正味 0.4 mm の歪みが発生した可能性は否定できない。

5

考察

5.1

規定締結トルク超過に対する対策

真空チェンバー一体型電磁石の機械中心と磁場中心のずれについて

電磁石電源ブレーカー切断の効果

4 章で述べたベーキングを伴う磁場測定において、真空チェンバー・磁極内部に発生する渦電流の効果を調べるため、3 回目の磁場測定終了後に電磁石電源のブレー
カーを一時遮断し、直ちに復旧させた。ブレーカー切断に伴い、真空チェンバー内部の表面には渦電流が発生する。通常この渦電流は、真空チェンバー内の電子バンチへの微小量キックや発熱に寄与し、真空機器構造物を変形させるほど強くはない。しかしながら、1) 磁極先端部が真空チェンバーにクランプとキャップスクリューで固定されていること、2) キャップスクリューは規定トル
クを超え、塑性域の状態で締結されている可能性が否定できないことから、磁極先端部の変位に対する効果を検証するため、3 回目の分解・組立・ベーキングについて、ブレーカー切断前後での磁束密度 By の比を評価
し、結果を Fig. 13 に示す。電磁石電源ブレーカーの切断後では、切断前に比べて 0 < x [mm] < 0.4 の領域で磁束密度が低下し、またブレーカー切断前後の磁束密度に対する水平座標の相関を線形一次でフィットすると、ブレーカー切断後における磁束密度のゼロクロスは、切断前のそれに比べて 5.5 µm 程 x < 0 方向にシフトしたことが判明した。

3 章で、磁極先端部と真空チェンバーを締結する M812L キャップスクリューの締結トルクを、規定 15 N·m
に対し 22.5 N·m にしなければ、メタルシールの設計圧
縮量が得られなかったと述べた。また規定トルクに収めるためには、キャップスクリューの数を 12 本から 18 本にせねばならない。磁束密度飽和の問題と併せ、対策の詳細を 5.4 節で議論する。

5.4

磁束密度飽和の対策

4 章 Fig. 10 (下) の励磁特性が示す通り、製作した真空チェンバー一体型電磁石は設計電流 200 A において磁束密度が飽和している。この飽和を回避するため、電7Figure 13: 電磁石電源ブレーカーの切断前 (1) 後 (2) での磁束密度 By の比とミッドプレーンにおける水平座標との相関。

磁石のヨーク及び磁極の幅に施す修正について検討した。四極電磁石の第 1 象限の磁極及びヨークについて
現行と修正後のデザインを Fig. 14 (上) に、計算による励磁特性の比較を Fig. 14 (下) に示す。磁極・ヨーク形
状の修正後では、スペースの制限がより厳しくなるため、コイルの巻数は修正前の 28 巻から 20 巻に減らした。設計値 5400 AT (Fig. 14 (下)、100 % に相当) では、
修正後の飽和は大幅に改善され、設計磁束密度勾配 65
T/m が得られる 4500 AT 近傍では飽和が回避されていることが確認できる。また後述するように、電磁石だけの構造に拘泥せず、永久磁石やパーメンジュール等の強磁性体を導入することにより、より高い磁束密度勾配が得られることが期待される。これについては 5.6 節に記述する。

Figure 14: 磁束密度飽和回避のための修正前 (黒) 後 (赤)での磁極及びヨーク断面形状の比較 (上) と、励磁特性の比較 (下)。励磁特性はいずれも計算値である。

Fig. 14 に倣い、磁極及びヨークに厚みを増し、真空
チェンバーをマウントした現実的なモデルを Fig. 15 に示す。磁極・ヨークの厚みが増した分、コイルの巻数は28 巻から 20 巻に減らした。磁極先端部の固定方法をクランプからフランジに変更し、M8-12L のキャップルク
リューを 12 本から 22 本に増やすことにより、規定トルク内で余裕を持ってメタルシールを締め付けることが可能である。

5.6

先行する研究事例調査

一つは CERN の Compact Linear Collider (CLIC) の2.86 GeV の電子陽電子衝突点に設置された四極電磁石
QD0 [2] である。隣り合うパーメンジュール製の磁極の間に Nd2 Fe14 B などの永久磁石を挟み込む構造とし、磁束密度勾配 575 T/m、磁極あたり 5000 AT のコイルを5.5 ベーキング降温時の真空漏れ対策
設けて磁束密度勾配の微調整を行う。Fig. 16 (上) は、
4 章ではベーキングを繰り返した際、3 回目のベーキ CLIC 衝突点近傍に設置される磁極長 2.7 m の QD0 とングの降温時にリークが発生したことを報告した。こ の真空取り合いを示す。ビームアパーチャは 7.6 mm、れはメタルシールの予備品が無くなったため、2 回目の ボア径は肉厚 300 µm のチェンバーを含めて 8.25 mm でベーキングで使用したメタルシールをそのまま使用し ある。Fig. 16 (下) は磁極長 100 mm の QD0 のプロトタイプであり、実機は磁極長 100 mm の磁極をビーム進行
続けたことが原因の一つである。
もう一つは、規定トルクを超えて締結を繰り返し、塑 方向に連結し、2.7 m を構成する。Single Stretched Wire
性域の状態にあると考えられるキャップスクリューを交 (SSW) 法による磁場測定では、飽和領域における磁束
換せずに使用し続けたことであり、これに関しては単 密度が計算よりも 5 % 程度低い結果が得られているが、にキャップスクリューの交換に留まらず、Fig. 15 に示 これは隣り合う磁極間に挟み込んだ永久磁石の工作・設すように真空チェンバーの構造を見直し、キャップスク 置精度に起因していると考えられてる。
もうひとつはロスアラモスの例で、液体ヘリウムを満
リューを 12 本から最低でも 18 本に増やす必要がある。

8

Figure 16: CLIC 衝突点近傍に設置された QD0 (上) とQD0 プロトタイプ (下)。

Figure 15: 飽和回避のための修正を加えた真空チェン
バー一体型電磁石のモデル全景 (a) と一部分解図 (b)。

6

総括

本研究の当初の目的は、極めてボア径の小さい極低
エミッタンスリングのストレートチェンバーについて、Fig. 18 に示すような従来のアンテ型チェンバーに替わり、全ての電磁石の磁極先端をチェンバーに埋め込むア
イデアを提案し、チェンバーの強度低下問題を回避するものであった。これに対し、本研究では電磁石 1 台だけを真空チェンバーに組み込んだプロトタイプを設計・製作した。構造・真空・磁場特性の観点から、プロトタイ
プのストレートチェンバーへの適用可能性を検討した。
その結果を以下にまとめる。

たした四極・ソレノイド磁石一体型チェンバー中に 0.95
meV、磁気能率 |µn | = 1.9 µN = 0.7 mK/T の中性子を捕捉し、β − 崩壊から中性子の寿命を測定する実験 [3] に使用される電磁石の例である。Fig. 17 に測定系のセットアップ及び、計算によるチェンバー内の磁束密度強度分布を示す。中性子ビームは入口のコリメータを経て、
液体ヘリウムで満たされた捕捉領域へ進入する。捕捉領域の後段にはビームストッパが設けられている。捕捉ポ
テンシャルより低いエネルギーの中性子は、自身の磁気能率とチェンバー内部に分布する磁場により捕捉される仕組みである。捕捉領域は、有機蛍光物質でコーティングされたアクリルチューブで囲われている。中性子のβ − 崩壊で電子が得られ、電子がヘリウム分子と相互作用することにより γ が生成される。γ (EUV) は蛍光物
質により青色光に変換されて、アクリルチューブ伝いに
後段へ伝搬する。アクリルチューブはライトガイドと光学的に接続され、最終的には光電子増倍管で検出される仕組みである。アクリルチューブは白銅で覆われ、中性子遮断の役割を担う。この例ではリターンヨークというものが存在せず、四極磁場の強さは弱いが、シンプル
且つ効率よく捕捉領域の磁場強度収束・制御が実現して
いる。

6.1

構造についてプロトタイプは中級公差 (JIS B 0419-mH) で製作したが、チェンバー・電磁石の分解・組立を 2 回繰り返した場合の三次元座標計測から、機械中心はいずれも 40µm 以内となった。統計が満足ではないため再現性について言及することはできない。しかしながら、次世代放射光リング等では 10 µm 以内でのアライメント精度が要求されるため、何らかの調整機構が必要となる。
一方、今回製作したプロトタイプの構造は、電磁石
個々のアライメント微調整ができる機構を有していない。仮に両端にベローズを加えても 1) RF シールドの連
続性・チェンバー内部の平滑度が担保されない、2) ベ

9ベーキング後における四重極質量分析計によるプロトタイプの脱ガス組成分析結果では、H2 O に加え H2 、
H2 O、CO、CO2 が支配的であることが判った。H2 O 及び O2 が優位に検出されていることから、データは少な
くとも脱ガス分析時において、リークが発生していた可能性を示唆するものである。

6.3

磁場特性について三次元ホール素子を用いて磁場特性を評価した。測定した励磁特性から、設計電流 200 A では磁束密度が飽和していることが判明した。飽和に関しては、製作
前から計算により判明していたため、設計ミスである。
設計を見直し、磁極及びヨークの体積を増加させることにより飽和を回避しつつ、当初の設計磁束密度勾配 65
T/m が得られることを、計算で確認した。
適切な設計・製作により、65 T/m の磁束密度勾配が得られる真空チェンバー一体型電磁石の製作は可能である。

Figure 17: ソレノイド・四極磁石一体型中性子寿命測定 6.4 最後にチェンバー (上) と、チェンバー内における磁場分布 (下)。
磁束密度勾配と真空特性の観点からは、加速器での使用が可能であると判断する。
しかし磁場中心の再現性及び、複数電磁石を 1 本の真空チェンバーと一体構造とした場合、磁極のアライメント機構の欠如から、本プロトタイプと同様の構造でのストレートチェンバーへの適用は成立しない。このため当初目的としていた、放射光リング、特に次世代リングへの適用は不可能と言わざるを得ない。
他方、先行研究の事例でもあるように、強磁束密度勾配を得るために、狭ボア径が要求される場合で、且つ単体での設置が可能な加速器要素の場合は、適用を検討す
るに値する技術であると考える。
なお、ボア径の制限の下で更に高い磁束密度勾配が要求される場合については、CERN の CLIC で導入が検討されている永久磁石と電磁石のハイブリッド仕様や、
Figure 18: 狭ボア径 (ϕ26 mm) ストレートチェンバーを 非常に高価ではあるが、磁極へのパーメンジュール等のアンテ型で設計した場合の機器配置の例。但し、チェン 導入 [4] も検討する余地がある。
バーの部材としてアルミ、無酸素銅、ステンレスといった汎用真空部材を仮定した場合、チェンバーのミーゼス
参考文献
応力が大きすぎるため、実用性は低い。
[1] 株式会社 アルバック編, 真空ハンドブック, オーム社, 2002.
[2] M. Modena et al., Proc. of IPAC2012, New Orleans,Louisiana (2012), p3515.
[3] P.R. Huffman et al., Nature 403 (2000), 62.
[4] Y. Okayasu et al., Proc. of PASJ8, Tsukuba, Japan (2011),
p371.

ローズ・フランジの増加により省スペース化に相反する、との理由から、本プロトタイプの構造のままではス
トレートチェンバーへの適用は成立しない。
またチェンバーと一体となった構造のため、1 本のチェンバーに複数の電磁石を組み込んだ場合、原理的に個々の磁石のアライメント用の機械的な調整機構を備えることは不可能である。

6.2

真空特性について締結するキャップスクリューの数が不足したことから、
メタルシールの締結力が足らず、ベーキングを繰り返した際にリークが発生した。その後設計・計算の修正を行
い、キャップスクリューの数は空間的にも無理なく増やすことができ、必要締結力が確保されることを確認した。修正を反映させたプロトタイプでの試験が必要であるが、本質的に超高真空での使用に問題はない。

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